Neutronenspin Echo

Neutronenspin Echo Die Spektroskopie ist ein Unelastische Neutronenstreuung Die Technik wurde in den 1970er Jahren von Ferenc Mezei erfunden und entwickelte sich in Zusammenarbeit mit John Hayter.[1] In Anerkennung seiner Arbeit und in anderen Bereichen erhielt Mezei 1999 mit dem ersten Walter Haelg -Preis.

Neutronenspin -Echo -Animation zeigt die Reaktion eines Neutronenstrahls (rote Pfeile) in ihrem Blau Bloch Kugel Während sie durch eine Reihe von Magneten reisen

Im Magnetresonanz, a Spin -Echo ist die Neuausarbeitung von drehen Magnetisierung durch einen Impuls von Resonanz elektromagnetische Strahlung. Das Spin -Echo Das Spektrometer besitzt eine extrem hohe Energieauflösung (ungefähr ein Teil von 100.000). Zusätzlich misst es die Korrelation der Dichtedichte (oder Zwischenstreuungsfunktion) F (q, t) als Funktion des Impulstransfers Q und der Zeit. Andere Neutronenstreutechniken messen den dynamischen Strukturfaktor S (q, ω), der durch a in F (q, t) umgewandelt werden kann Fourier-Transformation, was in der Praxis schwierig sein kann. Für schwache unelastische Merkmale s (q, ω) ist jedoch für (langsame) Relaxationen besser geeignet, die natürliche Darstellung wird durch F (q, t) angegeben. Aufgrund seiner außergewöhnlich hohen effektiven Energieauflösung im Vergleich zu anderen Neutronenstreutechniken ist NSE eine ideale Methode zum Beobachten[2] überdämpft interne dynamische Modi (Relaxationen) und andere diffusive Prozesse in Materialien wie a Polymermischungen, Alkane Ketten, oder Mikroemulsionen. Die außergewöhnliche Kraft der NSE -Spektrometrie[3] wurde kürzlich weiter demonstriert[4][5] durch direkte Beobachtung von gekoppelten Innen Proteindynamik in dem Proteine NHERF1 und Taq -Polymerase und die Adhärens Junction,[6] Ermöglichen der direkten Visualisierung von Protein Nanomachinerie in Bewegung. Es gibt mehrere elementare Bewertungen der Technik.[7][8][9][10][11]

Wie es funktioniert

Neutronenspin Echo ist a Flugzeit Technik. In Bezug auf die Neutronenspins hat es eine starke Analogie zum sogenannten Hahn Echo,[12] auf dem Gebiet von bekannt NMR. In beiden Fällen wird der Polarisationsverlust (Magnetisierung) aufgrund des Dephasing der Zeitspins durch einen effektiven Zeitumkehrbetrieb wiederhergestellt, der zu einer Rückerstattung der Polarisation (Reformation) führt. Bei NMR geschieht die Dephasing aufgrund von Variationen in den lokalen Feldern an Positionen der Kerne. In NSE ist das Dephasing auf unterschiedliche Neutronengeschwindigkeiten im ankommenden Neutronenstrahl zurückzuführen. Das Larmor -Präzession des Neutronenspins in einer Präparationszone mit einem Magnetfeld, bevor die Probe die einzelnen Geschwindigkeiten von Neutronen im Strahl in Präzessionswinkel codiert. In der Nähe der Probe wird die zeitliche Umkehrung durch einen sogenannten Flipper bewirkt. Eine symmetrische Dekodierungszone folgt so, dass am Ende der in der Herstellungszone akkumulierte Präzessionswinkel genau kompensiert wird (vorausgesetzt, die Probe änderte die Neutronengeschwindigkeit nicht, d. H. Die elastische Streuung), und alle dreht sich um, um das "Spin-Echo" zu bilden. Idealerweise wird die vollständige Polarisation wiederhergestellt. Dieser Effekt hängt nicht von der Geschwindigkeit/Energie/Wellenlänge des eingehenden Neutrons ab. Wenn die Streuung an der Probe nicht elastisch ist, sondern die Neutronengeschwindigkeit ändert, wird die Umstellung unvollständig und ein Verlust der endgültigen Polarisierungsergebnisse, die von der Verteilung der Unterschiede in der Zeit abhängt, die die Neutronen zuerst durch das symmetrische Fliegen benötigen ( Codierung) und zweite (decodierende) Präzessionszonen. Die zeitlichen Unterschiede treten aufgrund einer Geschwindigkeitsänderung auf, die durch nichtelastische Streuung bei der Probe erworben wurde. Die Verteilung dieser Zeitunterschiede ist proportional (in der Linearisationsnäherung, die für die quasi-elastische Hochauflösungsspektroskopie geeignet ist) zum spektralen Teil der Streufunktion S (q, ω). Der Effekt auf die gemessene Strahlpolarisation ist proportional zur Cos-Fourier-Transformation der spektralen Funktion die Zwischenstreuungsfunktion F (q, t). Der Zeitparameter hängt von der Neutronenwellenlänge und dem Faktor ab, der den Präzessionswinkel mit (gegenseitiger) Geschwindigkeit verbindet, was z. gesteuert werden, indem ein bestimmtes Magnetfeld in den Vorbereitungs- und Dekodierungszonen festgelegt wird. Scans von T können dann durch Variieren des Magnetfeldes durchgeführt werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass alle Spin -Manipulationen nur ein Mittel sind, um Geschwindigkeitsänderungen des Neutrons zu erkennen, die - aus technischen Gründen - in Bezug auf eine Fourier -Transformation der Spektralfunktion in der gemessenen Intensität beeinflussen. Die Geschwindigkeitsänderungen der Neutronen vermitteln die physikalischen Informationen, die mit NSE verfügbar sind, d. H.

wo und .

B bezeichnet die Präzessionsfeldstärke, λ die (durchschnittliche) Neutronenwellenlänge und ΔV Die Neutronengeschwindigkeitsänderung beim Streuung an der Probe.

Der Hauptgrund für die Verwendung von NSE ist, dass es mit den oben genannten Mitteln vierere Zeiten von bis zu vielen 100 ns erreichen kann, was den Energieauflösungen im NEV -Bereich entspricht. Der engste Ansatz für diese Auflösung durch einen spektroskopischen Neutroneninstrumententyp, nämlich derRückstreuung Das Spektrometer (BSS) liegt im Bereich von 0,5 bis 1 μev. Der Spin-Echo-Trick ermöglicht es, einen intensiven Neutronenstrahl mit einer Wellenlängenverteilung von 10% oder mehr und gleichzeitig empfindlich gegenüber Geschwindigkeitsänderungen im Bereich von weniger als 10 zu reagieren–4.

Hinweis: In den obigen Erklärungen wird die generische NSE -Konfiguration übernommen - als erstes vom In11 -Instrument an der Institut Lau -Langevin (KRANK)--. Andere Ansätze sind möglich wie das Resonanzspin -Echo, NRSE mit konzentriertem DC -Feld und einem HF -Feld in den Flippern am Ende der Präparations- und Decodierungszonen, die dann ohne Magnetfeld sind (Nullfeld). Grundsätzlich sind diese Ansätze in Bezug auf die Verbindung des endgültigen Intensitätssignals mit der Zwischenstreuungsfunktion gleichwertig. Aufgrund technischer Schwierigkeiten haben sie bisher nicht das gleiche Leistungsniveau erreicht wie die generischen (IN11) NSE -Typen.

Was es messen kann

Im weiche Materie Erforschen Sie die Struktur von makromolekularen Objekten, wird häufig von untersucht von Kleinwinkel -NeutronenstreuungSans. Der Austausch von Wasserstoff mit Deuterium In einigen der Moleküle erzeugt ein streckender Kontrast zwischen selbst gleichen chemischen Spezies. Das ohne im realen Raum interpretierte SANS -Beugungsmuster entspricht ein Schnappschussbild der molekularen Anordnung. Neutronenspin -Echo -Instrumente können die unelastische Verbreiterung der samischen Intensität analysieren und dadurch die Bewegung der makromolekularen Objekte analysieren.[13] Eine grobe Analogie wäre ein Foto mit einer gewissen Öffnungszeit anstelle der Sans wie Snapshot. So können wir die Änderung der Anordnung der Moleküle als Funktion der Zeit analysieren. Die Öffnungszeit entspricht der Fourier -Zeit, die von der Einstellung des NSE -Spektrometers abhängt. Es ist proportional zum Magnetfeld (integral) und zur dritten Leistung der Neutronenwellenlänge. Werte bis zu mehreren Hundert Nanosekunden sind verfügbar. Beachten Sie, dass die räumliche Auflösung des Streuungsexperiments im Nanometerbereich liegt, was bedeutet, dass ein Zeitbereich von z. 100 ns entspricht wirksame molekulare Bewegungsgeschwindigkeiten von 1 nm/100 ns = 1 cm/s. Dies kann mit der typischen Neutronengeschwindigkeit von 200..1000 m/s in dieser Art von Experimenten verglichen werden.

NSE- und Spin-Einholungs-Streuung (aus Protonen)

Viele unelastische Studien, die normal verwenden Flugzeit (TOF) oder Rückstreuungsspektrometer beruhen auf den riesigen inkohärenten Neutronen -Streuquerschnitt von Protonen. Das Streusignal wird durch den entsprechenden Beitrag dominiert, der die (durchschnittliche) Selbstkorrelationsfunktion (zeitlich) der Protonen darstellt.

Für NSE Spin Inkohärente Streuung hat den Nachteil, dass es die Neutronenspins während der Streuung mit einer Wahrscheinlichkeit von 2/3 umdreht. Damit umwandeln 2/3 der Streuintensität in den "nicht polarisierten" Hintergrund und stellen einen Faktor von -1/3 vor den integralen Cos-Fourier-Integralbeitrag zur inkohärenten Intensität. Dieses Signal subtrahiert vom kohärenten Echosignal. Das Ergebnis kann eine komplizierte Kombination sein, die nicht zerlegt werden kann, wenn nur NSE verwendet wird. In reinen Fällen, d. H. Wenn es durch Protonen einen überwältigenden Intensitätsbeitrag aufgrund von Protonen gibt, kann NSE verwendet werden, um ihr inkohärentes Spektrum zu messen.

Die Intensitätssituation von NSE - für z. Soft-Materie-Proben-ist die gleiche wie bei einer kleinen Winkel-Neutronenstreuung (Sans). Molekulare Objekte mit kohärentem Streukontrast bei niedriger Impulstransfer (Q) zeigen eine kohärente Streuung mit erheblich höherer Intensität als die inkohärente Hintergrundstreuung. Dieser Effekt schwächt, wenn Q größer wird. Für Systeme, die Wasserstoff enthalten, erfordert Kontrast das Vorhandensein einiger Protonen, was notwendigerweise einen gewissen inkohärenten Beitrag zur Streuungsintensität hinzufügt. Darüber hinaus fügen sogar Deuterons eine schwache Spin-Einholungs-Streuintensität hinzu. In SANS werden diese q-unabhängigen Intensitäten typischerweise als Hintergrund betrachtet und subtrahiert. In NSE -Experimenten sind sie vorhanden und können mit zunehmendem Q zu einer bedeutenderen Beimischung werden.

Voll protonierte Proben ermöglichen erfolgreiche inkohärente Messungen, jedoch in den Intensitäten der Reihenfolge des ohne Hintergrundniveaus.[14] Hinweis: Diese Störung mit der Spin -Manipulation der NSE -Technik erfolgt nur mit Spin-On-Einholung Streuung. Isotope inkohärente Streuung ergibt ein "normales" NSE -Signal.

Bestehende Spektrometer

IN11 (KRANK, Grenoble, Frankreich)

IN15 (KRANK, Grenoble, Frankreich)

Nl2a j-nse "Phoenix" (JCNS, Juelich, Deutschland, veranstaltet von Frm II München, München, Deutschland)

NL5-S reseda (Frm II München, München, Deutschland)

V5/span (Hahn-Meitner Institut, Berlin, Deutschland)

C2-3-1 Inse (JRR-3, Tokai, Japan)

BL06 Vin-Rose (MLF, J-Parc, Tokai, Japan)

BL-15 NSE (Sns, Ornl, Oak Ridge, USA)

Ng5-NSE (Ncnr, NIST, Gaithersburg, USA)

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Mezei, F., ed. (1980). Neutronenspin Echo. Vorlesungsnotizen in Physik Vol. 128. Berlin, Heidelberg, New York: Springer.
  2. ^ B. Farago (2006). "Neutronenspin -Echo -Studie von gut organisierten Soft Matery -Systemen". Physica b. 385–386: 688–691. Bibcode:2006Phyb..385..688f. doi:10.1016/j.physb.2006.05.292.
  3. ^ Callaway, D. J.; Farago, b; BU, Z (2013). "Nanoskalige Proteindynamik: Eine neue Grenze für Neutronenspin -Echo -Spektroskopie". Das europäische physische Journal e. 36 (7): 76. doi:10.1140/epje/i2013-13076-1. PMID 23884624. S2CID 10246098.
  4. ^ B. Farago, Li J, Cornilescu G, Callaway DJE, Bu Z (November 2010). "Aktivierung der nanoskaligen allosterischen Proteindomänenbewegung durch Neutronenspin -Echo -Spektroskopie". Biophysical Journal. 99 (10): 3473–3482. Bibcode:2010bpj .... 99.3473f. doi:10.1016/j.bpj.2010.09.058. PMC 2980739. PMID 21081097.{{}}: Cs1 montiert: Mehrfachnamen: Autorenliste (Link)
  5. ^ Bu Z, Biehl R, Monkenbusch M, Richter D, Callaway DJE (2005). "Gekoppelte Proteindomänenbewegung in Taq-Polymerase, die durch Neutronenspin-Echo-Spektroskopie aufgedeckt wird". Proc Natl Acad Sci USA. 102 (49): 17646–17651. Bibcode:2005pnas..10217646b. doi:10.1073/pnas.0503388102. PMC 1345721. PMID 16306270.{{}}: Cs1 montiert: Mehrfachnamen: Autorenliste (Link)
  6. ^ Farago B, Nicholl ID, Wang S., Cheng X, Callaway DJ, Bu Z (30. März 2021). "Aktivierte nanoskalige Aktin-Bindungsdomänenbewegung im Catenin-Cadherin-Komplex, die durch Neutronenspin-Echo-Spektroskopie enthüllt wird". Proc Natl Acad Sci USA. 118 (13): E2025012118. Bibcode:2021pnas..11825012f. doi:10.1073/pnas.2025012118. PMC 8020631. PMID 33753508.
  7. ^ L. Kay Nicholson (1981). "Das Neutronen-Spin-Echo-Spektrometer: eine neue Hochauflösungstechnik in der Neutronenstreuung". Contemp. Phys. 22 (4): 451–475. Bibcode:1981Conph..22..451n. doi:10.1080/00107518108231544.
  8. ^ Higgins JS, Benoit HC (1997). Polymere und Neutronenstreuung. Oxford -Serie zur Neutronenstreuung in kondensierter Materie (Buch 8). Clarendon Press. ISBN 978-0198500636.
  9. ^ Callaway DJ, Bu Z (2017). "Visualisierung der Nanoskala: interne Dynamik der Protein und Neutronenspin -Echo -Spektroskopie". Strömung Meinung. Struktur. Biol. 42: 1–5. doi:10.1016/j.sbi.2016.10.001. PMC 5374024. PMID 27756047.
  10. ^ Richter D (2006). "Neutronenspin -Echo für die Erforschung der großen makromolekularen Dynamik in großem Maßstab". J. Phys. SOC. JPN. 75 (11): 110041–11004112. Bibcode:2006JPSJ ... 75K1004R. doi:10.1143/jpsj.75.111004.
  11. ^ Jacrot, B (1976). "Die Untersuchung biologischer Strukturen durch Neutronenstreuung aus der Lösung". Berichte über Fortschritte in der Physik. 39 (10): 911–53. Bibcode:1976RPPH ... 39..911J. doi:10.1088/0034-4885/39/10/001.
  12. ^ E.L. Hahn (1950). "Spin Echoes". Physische Bewertung. 80 (4): 580. Bibcode:1950phrv ... 80..580h. doi:10.1103/PhysRev.80.580.
  13. ^ M. Monkenbusch & D. Richter (2007). "Hochauflösende Neutronenspektroskopie - Ein Werkzeug zur Untersuchung der Dynamik von Polymeren und weicher Materie". COMPTES Rendus Physique. 8 (7–8): 845–864. Bibcode:2007crphy ... 8..845m. doi:10.1016/j.crhy.2007.10.001.
  14. ^ A. Wischnewski und M. Monkenbusch und L. Willner und D. Richter und G. Kali (2003). "Direkte Beobachtung des Übergangs von frei zu einschränkender Einsegmentbewegung in verwickelten Polymerschmelzen". Physische Überprüfungsbriefe. 90 (5): 058302. Bibcode:2003phrvl..90E8302W. doi:10.1103/PhysRevlett.90.058302. PMID 12633402.